近日，北京航空航天大学集成电路科学与工程学院赵巍胜教授团队在轨道电子学（Orbitronics）领域取得重要进展。团队针对轨道电子学材料体系写入效率低、应用难的两大难题，设计了高效、可兼容磁隧道结（MTJ）的Ru/W轨道矩底电极，并利用轨道矩实现了MTJ的皮秒电学翻转。相比传统自旋轨道矩磁存储器件（SOT-MTJ），轨道矩磁存储器件（OT-MTJ）的写入电压大幅降低，写入电极电阻高度均匀，面积开销有进一步降低潜力。该工作推动轨道电子学研究由物理机理向实际应用发展，以“Giant orbital torque-driven picosecond switching in magnetic tunnel junctions”为题发表于国产顶级综合期刊《Science Bulletin》。
研究背景
自旋轨道矩磁存储器（SOT-MRAM）技术正在逐渐成熟、走向产业化，但仍存在诸多严重瓶颈。当前学术界、产业界普遍采用β相W作为SOT写入电极，虽然其SOT效率较高，但存在电阻率高、厚度限制等问题，导致SOT-MRAM功耗较高、一致性差，也限制了SOT-MRAM单元面积的进一步优化。
作为近年来的研究热点，轨道电子学利用轨道霍尔效应（OHE）、轨道拉什巴效应（OREE）等效应实现电荷-轨道角动量转化。由于其效应强、材料选择范围广，轨道矩写入电极被认为是解决SOT-MRAM技术瓶颈的重要候选方案。然而，MRAM中的信息存储在自旋磁矩主导的铁磁层中，轨道角动量无法直接与其发生相互作用，需借助强自旋-轨道耦合（SOC）材料实现轨道-自旋转化。当前，轨道-自旋转化效率较低，且轨道矩材料体系与MTJ结构兼容性差，这成为轨道电子学从基础研究走向应用的两个重要挑战。
成果介绍
图1 Ru/W双层写入电极的巨大等效自旋（轨道）霍尔电导率
针对上述挑战，赵巍胜教授团队设计了新型Ru/W轨道矩写入电极。该结构极大地提升了轨道-自旋转化效率，实现了高达-12600 ℏ/2e·Ω⁻¹cm⁻¹的等效自旋（轨道）霍尔电导率（图1）。
图2 轨道矩驱动磁隧道结的皮秒电学翻转
基于Ru/W轨道矩写入电极，团队联合致真存储（北京）科技有限公司，依托其8英寸MRAM试验线平台，成功制备出高性能MTJ器件（图2），证实了该材料体系具备优异的MRAM工艺兼容性。测试结果表明，该器件在仅28.7皮秒的超短电脉冲驱动下实现了高度可靠的电学翻转（翻转动力学过程约0.28 ns完成）。（皮秒电脉冲元件及测试台由赵巍胜教授团队自主研发，详见团队近期论文）
图3 轨道矩驱动磁隧道结的阵列级均匀性和面积开销缩减
相比于基于传统β-W电极的SOT-MRAM器件，赵巍胜教授团队研发的轨道矩驱动MTJ展现出优秀的器件/阵列性能：其写入电压降低至1/5至1/8，底电极均匀性大幅提升（图3a），解决了大面积阵列制造中的一致性难题，提升了芯片良率。此外，轨道矩写入电极为多MTJ器件共享写入电极的类NAND结构（图3b）提供了较高可行性，有望实现45%的面积缩减（图3c），具备更高的存储密度集成潜力。
本工作不仅验证了高效轨道矩的实用化路径，解决了轨道电子学的两大关键瓶颈，更为下一代高速、高密度、低功耗通用型磁存储芯片的研发提供了全新的技术路线。
作者简介
北航集成电路科学与工程学院博士后姚宇暄、博士生肖晨、杭州国际创新研究院博士后宁小白、本院蔡文龙副教授为本文的共同第一作者，朱道乾副教授、致真存储（北京）科技有限公司CTO刘宏喜、赵巍胜教授为共同通讯作者，北京航空航天大学为第一完成单位。该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、科学探索奖等项目、奖励的支撑。
北航集成电路科学与工程学院赵巍胜教授团队长期聚焦SOT-MRAM机理、材料、器件与架构等核心环节，近年来在Nature Electronics、Nature Communications、Physical Review Letters、IEDM等国际顶级期刊及会议上持续产出高影响力成果，在磁存储领域形成了从基础研究到应用验证的完整创新链。
